термическая обработка стали и чугуна

Когда слышишь ?термичка?, многие сразу представляют просто печь и воду для закалки. Но это как сказать, что кузнец — это тот, кто бьет молотом. В стали и чугуне, особенно в ответственных поковках, которые мы делаем на нашем производстве, вся суть — в нюансах. Можно получить красивую деталь, которая лопнет при первой же нагрузке, если не чувствовать материал. Вот, например, с чугуном часто ошибаются — думают, раз он литой и хрупкий, то его только отжигать. Но для износостойких деталей, скажем, для валков, нужен совсем другой подход — изотермический отжиг или даже закалка с последующим высоким отпуском, чтобы снять напряжения после ковки. Это уже не просто ?нагрел-остудил?.

Отжиг: с чего всё начинается и где многие спотыкаются

Первый этап после ковки, особенно крупногабаритной — это отжиг. Цель — убрать внутренние напряжения, выровнять структуру, подготовить к дальнейшей механической обработке. Казалось бы, загрузил в печь, выдержал по справочнику и готово. Но справочники пишут для идеальных условий. На практике, как у нас на ООО Цзиюань Юйбэй, когда работаешь с поковками весом в несколько центнеров, главный враг — неравномерность прогрева. Если в центре массивной заготовки не успела пройти полная фазовая перекристаллизация, то при токарной обработке её может просто ?повести?. Видел такое не раз.

У нас для таких задач стоят печи шахтного типа с принудительной циркуляцией атмосферы. Но даже с ними нужно знать хитрости. Например, для легированных сталей типа 40Х или 34ХН1М скорость нагрева перед отжигом критична. Слишком быстро — риск трещин из-за термических напряжений. Слишком медленно — неэффективно, съедает ресурс печи. Мы обычно идем от практики: для сечения до 300 мм — один режим, для более массивных поковок, которые часто идут на гидравлическом ковочном прессе, — другой, с обязательной выдержкой в интервале 300-400°C для выравнивания температуры по сечению.

И ещё момент с чугуном. Для отливок, которые потом будут фрезероваться, часто применяют низкотемпературный отжиг (искусственное старение). Но если в чугуне много свободного цементита (отбел), то нужен уже графитизирующий отжиг при температурах под 950°C. Это долго и энергозатратно, но иначе обрабатывать будет невозможно — инструмент будет крошиться. На сайте jyybdz.ru мы как раз указываем, что занимаемся полным циклом, включая отжиг, потому что понимаем — без этого качественной детали не получить.

Закалка: искусство управления превращениями

Вот здесь и кроется 80% всех проблем с термической обработкой стали. Все знают про мартенсит, но как его получить без деформаций и трещин — вопрос на миллион. Вода, масло, полимеры — выбор охлаждающей среды это не по таблице, а по ощущениям. Для простых углеродистых сталей (например, Сталь 45) часто берут воду, но для сложноконтурных деталей это смерть. Резкий перепад вызовет высокие напряжения, и деталь, в которую вложены недели ковки и токарки, треснет. Поэтому для таких случаев переходим на масло или даже на закалку в горячих средах.

У нас в цеху стоит несколько электрических печей для улучшения, которые как раз и используются для закалки с высоким отпуском (улучшения). Ключевое — контроль температуры аустенитизации. Перегрел даже на 20-30°C — получишь крупное зерно, материал станет хрупким. Недогрел — недополучишь твердость. Особенно капризны легированные стали. Для них выдержка должна быть дольше, чтобы карбиды растворились в аустените, но опять же без перегрева.

Практический случай: делали вал из стали 40ХН2МА. После закалки в масле по, казалось бы, правильному режиму, при шлифовке пошли мелкие сетки трещин. Причина — остаточные напряжения после ковки не полностью сняли на этапе отжига, плюс скорость охлаждения в масле для такого сечения (а вал был диаметром под 200 мм) всё равно оказалась высокой. Пришлось возвращаться к началу, делать полный отжиг, а затем закалку в более ?мягкой? среде с изотермической выдержкой. Время потеряли, но деталь спасла.

Отпуск: финальный штрих, который решает всё

Многие относятся к отпуску как к формальности: закалил — и в печь на пару часов. Это грубейшая ошибка. Отпуск — это процесс управления свойствами уже закалённой стали. Нужно точно знать, какие требования к детали: высокая твёрдость и износостойкость или, наоборот, вязкость и сопротивление ударным нагрузкам? Для режущего инструмента — низкий отпуск (150-200°C), для ответственных поковок, которые работают на динамику, — высокий (500-650°C).

В нашем арсенале есть печи для высокого отпуска, которые позволяют работать с крупными заготовками. Важно не только выдержать температуру, но и обеспечить равномерность по всей камере. Иначе в одной части детали твёрдость будет HRC 35, а в другой — HRC 28. Для проверки мы после отпуска всегда делаем выборочную проверку твёрдости не в одном, а в нескольких точках, особенно на длинных валах или оси.

С чугуном отпуск тоже применяется, особенно после закалки отбелённого слоя для прокатных валков. Тут задача — не только снять напряжения, но и стабилизировать структуру, чтобы при работе в горячем состоянии свойства не ?поплыли?. Это требует точного контроля времени и температуры, чутьё приходит только с опытом работы с конкретными марками чугуна.

Особенности работы с поковками и отливками

Наше производство, ООО Цзиюань Юйбэй Тяжёлое литейно-кузнечное производство, имеет дело как с поковками (до 5000 тонн в год), так и с отливками, полученными методом электрошлакового переплава. Это накладывает специфику. Поковка имеет волокнистую структуру, она прочнее. Но и внутренние напряжения после деформации под прессом могут быть значительными. Поэтому термическая обработка для поковок — это часто не один, а два-три цикла: предварительный отжиг после ковки, затем черновая мехобработка, потом улучшение (закалка+отпуск), и, возможно, стабилизирующий отпуск после чистовой обработки.

С отливками ЭШП история другая. Исходная структура более однородная и плотная, но могут быть микроликвации. Для них важен гомогенизирующий отжиг. Мы используем это для ответственных заготовок, которые потом идут на ковку. Получается двойной эффект: улучшаем структуру слитка и подготавливаем её к последующей деформации.

Оборудование, конечно, играет роль. Наличие гидравлического ковочного пресса позволяет получать плотные, качественные поковки с минимальными дефектами, что упрощает дальнейшую термообработку. Но печи — это сердце процесса. Наши нагревательные и отжигательные печи с программным управлением позволяют выстраивать сложные циклы, но программа — это лишь каркас. Мастер-термист всегда смотрит на цвет побежалости, на искажения детали при закалке, корректирует время выдержки исходя из фактической загрузки печи.

Ошибки, которые учат больше, чем учебники

Расскажу про один болезненный урок. Года три назад был заказ на крупную шестерню из стали 35ХГСЛ. После всего цикла (нормализация, закалка, отпуск) при контроле ультразвуком обнаружили внутренние несплошности. Изначально грешили на термообработку. Но, разобравшись, поняли, что дефект был заложен ещё на этапе ковки — непрогрев. А наши режимы отжига и закалки его лишь проявили. С тех пор для критичных деталей ввели обязательный УЗ-контроль поковок до начала термообработки. Это добавило работы, но спасло репутацию.

Ещё одна частая ошибка новичков — игнорирование деформации. Длинную деталь закалили, она изогнулась. Её начинают править в холодном состоянии, а потом удивляются, почему она лопнула в эксплуатации. Правильный путь — правка в процессе отпуска, когда металл достаточно пластичен, или использование специальных приспособлений (шаблонов) при охлаждении в закалочном баке.

И последнее — документация. Кажется рутиной, но запись всех параметров: температуры, времени выдержки, результатов замеров твёрдости — это бесценно. Когда через полгода приходит рекламация, ты можешь не помнить детали, но журнал печи всё покажет. Это дисциплина, без которой в нашей сфере делать нечего. На нашем сайте в разделе ?термическая обработка? мы не просто перечисляем услуги, мы подразумеваем именно этот системный, ответственный подход, который складывается из таких вот, иногда горьких, уроков.